(57)【要約】  本発明に係る光電変換素子（１）は、光電変換層（２）と、フォトニックバンドギャップを持つように、光電変換層（２）の内部に形成されたフォトニック結晶であって、光電変換層（２）の媒質より屈折率が小さいナノロッド（３０）が、光電変換層（２）内に周期的に配置され、上記フォトニックバンドギャップに欠陥準位を生成するように欠陥（３１）が形成されたフォトニック結晶とを備え、上記欠陥準位に対応する共鳴ピークの波長をλとしたとき、ナノロッド（３０）は、λ／７以上、λ／２以下のピッチで、二次元的に配置され、上記フォトニック結晶と外界との結合の強度を表す係数κVと、光電変換層（２）による光の吸収係数αとが、ほぼ等しくなっている。
2011083694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換層と、
フォトニックバンドギャップを持つように、上記光電変換層の内部に形成されたフォトニック結晶であって、上記光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が、上記光電変換層の媒質内に周期的に配置されているとともに、上記フォトニックバンドギャップに欠陥準位を生成するように、上記柱状の媒質が配置されていない欠陥が形成されたフォトニック結晶とを備え、
上記欠陥準位に対応する共鳴ピークの波長をλとしたとき、上記柱状の媒質は、波長λに対して、λ／７以上、λ／２以下のピッチで、二次元的に配置されており、
上記フォトニック結晶と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、上記フォトニック結晶と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱＶと、上記光電変換層の媒質による光の吸収係数の逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱαとが、０．２ＱＶ≦Ｑα≦５．４ＱＶを満たす範囲にあること
を特徴とする光電変換素子。
【請求項２】
上記フォトニック結晶では、上記光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が、上記光電変換層の厚みと等しい高さを持って、上記光電変換層の媒質内に周期的に配置されていること
を特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
上記フォトニック結晶では、上記光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が、上記光電変換層の厚みに満たない高さを持って、上記光電変換層の媒質内に周期的に配置されていること
を特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項４】
上記柱状の媒質が、平面視した場合に、三角格子により構成される六角形の各頂点と中心とにより構成される配置を第１ユニットとし、上記柱状の媒質の上記ピッチをａとすると、
二次元的に配置された第１ユニットは、ｘ方向に２ａ、ｙ方向に√３ａのピッチで配置され、
上記欠陥は、ｘ方向に４ａから８ａ、ｙ方向に２√３ａから４√３ａのピッチで、正方格子状に配置されていること
を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項５】
上記柱状の媒質が、平面視した場合に、三角格子により構成される六角形の各頂点と中心とにより構成される配置の中に、上記欠陥が２つ以上形成された構成を第２ユニットとし、上記柱状の媒質の上記ピッチをａとすると、
二次元的に配置された第２ユニットは、ｘ方向に４ａ以上、ｙ方向に√３ａのピッチで配置され、
上記欠陥は、ｘ方向に４ａから８ａ、ｙ方向に２√３ａから４√３ａのピッチで、正方格子状に配置されていること
を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項６】
上記欠陥を取り囲む上記柱状の媒質のうち、特定方向に沿った線上に配置された２つの柱状の媒質の位置が、上記六角形の各頂点の位置から、上記特定方向に沿って、互いに逆方向で距離が短くなる方向にシフトしていることを特徴とする請求項４に記載の光電変換素子。
【請求項７】
上記光電変換層は、光電変換層の媒質より屈折率が小さい媒質からなる２つの層によって挟まれ、上記２つの層の少なくとも一方は、透明であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項８】
上記光電変換層は、ｐ型半導体層、真性半導体層およびｎ型半導体層の各層の隣接構造、あるいは、ｎ型半導体層、真性半導体層およびｎ型半導体層の各層の隣接構造を有し、上記隣接構造は、各層が縦積みされた縦型構造、または横並びされた横型構造であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項９】
光が上記光電変換素子に入射する側とは反対側の最外層には、上記反対側の全体を覆う金属層が設けられていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶構造を備えた光電変換素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、例えば、太陽電池または光センサなどに、入射光を光電変換することで電気信号に変換する光電変換素子が一般的に用いられている。このような光電変換素子には半導体が用いられており、半導体のバンドギャップを越えるエネルギーを持った電磁波（光）が入射したとき、半導体において電子が、価電子帯から伝導帯へ励起され、光電変換が発生する。【０００３】
例えば、アモルファス半導体であるａ‐Ｓｉでは、波長７００ｎｍ程度以下に吸収があることが一般的に知られている(光の吸収端が７００ｎｍ付近)。つまり、吸収端より短波長の電磁波（光）では、光起電力材料において光の吸収があるため、光起電力材料では光電変換が発生する。しかし、加工方法や製造方法の改善により、実際のデバイスでは８２０ｎｍ程度まで吸収が存在するため、波長７００ｎｍから８２０ｎｍ程度までの帯域でも光起電力の発生が期待できる。【０００４】
図２０は、ａ‐Ｓｉ（厚み３３０ｎｍ）の光の波長に対する吸収率の実測値を表す図である。【０００５】
図２０に示すように、ａ‐Ｓｉの場合、波長約５２０ｎｍ以下では吸収のピークが続き、波長が５２０ｎｍ付近から、吸収端の波長である８２０ｎｍの方へ大きくなるとともに、吸収率が低下している。これは、半導体の吸収端から吸収ピーク間では、光と電子との相互作用が弱くなるため、この間の電磁波（光）はａ‐Ｓｉを透過しやすくなるからである。したがって、半導体の吸収端から吸収ピーク間で光電変換効率が悪くなる。このため、この吸収端から吸収ピーク間で、半導体が充分に光を吸収するには、半導体を厚膜化する必要がある。【０００６】
近年では、光の吸収率を向上させるために、例えば下掲の特許文献１〜４に開示されているように、フォトニック結晶を用いた光電変換素子が開発されている。【０００７】
図２１は、特許文献１に開示されている太陽電池セルの構成を表す概略図である。【０００８】
フォトニック結晶は、誘電率が異なる周期構造が、光の波長と同程度の周期で誘電体内に人工的に形成されたものである。【０００９】
図２１に示すように、太陽電池セル１０１では、分散型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）１０２に積層された光起電力材料１０３の中に、複数のエアホールが形成されたフォトニック結晶構造１０４が形成されている。【００１０】
光起電力材料１０３に進入した入射光ｉから、フォトニック結晶構造１０４によって正反射された反射光ｒ０、フォトニック結晶構造１０４によって回折された回折光ｒ１、フォトニック結晶構造１０４によって屈折された屈折光ｔが生じる。【００１１】
回折光ｒ１は、入射角θより大きな角度θ’で回折されるため、光起電力材料１０３内の光路長を長くすることに寄与する。また、光起電力材料１０３と外界の空気との界面では、内部全反射が起きることにより、回折光ｒ１は、光起電力材料１０３内での共鳴を起こす。このため、光起電力材料１０３による光の吸収率が向上する。【００１２】
また、屈折光ｔと、分散型ブラッグ反射器１０２で反射されフォトニック結晶構造１０４に戻る光とは、フォトニック結晶構造１０４の内部で跳ね返って行き来する共鳴を起こし、徐々に吸収される。このことも、光の吸収率を改善する。【００１３】
このような、太陽電池セル１０１では、光起電力材料１０３およびフォトニック結晶構造１０４内で入射光を共鳴させることで光を吸収し、光起電力セルの吸収効率を向上させることができる。特に、共鳴波長を、入射光の吸収率が小さい長波長側に出現させることで、太陽光の広範囲の波長を吸収できる吸収体を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】日本国公表特許公報「特表２００９‐５３３８７５号（２００９年９月１７日公表）」
【特許文献２】日本国公開特許公報「特開２００６‐２４４９５号（２００６年１月２６日公開）」
【特許文献３】日本国公開特許公報「特開２００６‐３２７８７号（２００６年２月２日公開）」
【特許文献４】国際公開ＷＯ２００７／１０８２１２号（２００７年９月２７日国際公開）」
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】C.Manolatou, M.J.Khan, Shanhui Fan, Pierre R.Villeneuve, H.A.Haus, Life Fellow, IEEE, and J.D.Joannopoulos “Coupling of Modes Analysis of Resonant Channel Add-Drop Filters”/IEEE JOUNAL OF QUANTUM ELECTRONICS/SEPTEMBER 1999 VOL.35, NO.9, PP.1322-1331
【非特許文献２】J.R.Tumbleston, Doo-Hyun Ko, Edward T.Samulski, and Rene Lopez “Absorption and quasiguided mode analysis of organic solar cells with photonic crystal photoactive layers”/OPTICS EXPRESS/Optical Society of America/ April 27, 2009 Vol.17,No.9 PP.7670-7681
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、特許文献１に開示された太陽電池セル１０１には、以下のような課題点が存在する。特許文献１には、フォトニック結晶の効果に関する詳細な記述が無いため、フォトニック結晶の効果として、厚み等の条件を変更した場合に共鳴の効果であるＱ値（もしくは結合の容易さとして後述する係数κ、αなど）が大きくなるのか小さくなるのかが不明である。【００１７】
つまり、フォトニック結晶は、(1)Ｑ値を大きくすれば、光と対象デバイスとの相互作用が無くなり、光が対象デバイスに吸収されにくくなるという効果を持つため、光の吸収に寄与させるためには、無制限にＱ値が大きくなれば良いわけではない。【００１８】
また、上掲の非特許文献１に記載されたフォトニック結晶のモード結合理論を本願発明者グループが検討した結果、(2)フォトニック結晶の構造が持つ外部との結合の容易さκv（共振器で考えた場合のＱv）と光起電力デバイスがもともと持つ特性としての吸収の容易さα（共振器で考えた場合のＱα）がほぼ等しければ、最大の吸収効果を持つということを新たに見出した。【００１９】
このため、上記(1)(2)を考慮すると、フォトニック結晶の設計条件として、より効率的に吸収される条件が、特許文献１には明示されていないことが問題点である。要するに、特許文献１の開示から、フォトニック結晶による吸収増強の効果を十分に発揮するための知見を到底得ることはできない。【００２０】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、フォトニック結晶構造を備えた光電変換素子の光の吸収率を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の光電変換素子は、上記の課題を解決するために、
(1)光電変換層と、
(2)フォトニックバンドギャップを持つように、上記光電変換層の内部に形成されたフォトニック結晶であって、上記光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が、上記光電変換層の媒質内に周期的に配置されているとともに、上記フォトニックバンドギャップに欠陥準位を生成するように、上記柱状の媒質が配置されていない欠陥が形成されたフォトニック結晶とを備え、
(3)上記欠陥準位に対応する共鳴ピークの波長をλとしたとき、上記柱状の媒質は、λ／７以上、λ／２以下のピッチで、二次元的に配置されており、
(4)上記フォトニック結晶と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、上記フォトニック結晶と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱＶと、上記光電変換層の媒質による光の吸収係数の逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱαとが、０．２ＱＶ≦Ｑα≦５．４ＱＶを満たす範囲にあること
を特徴とする。【００２２】
上記の構成によれば、フォトニックバンドギャップに欠陥準位を生成するように欠陥が形成されたフォトニック結晶が、光電変換層の内部に形成されているので、光電変換層に進入した光のうち、上記欠陥準位に対応する特定波長の光は、フォトニック結晶の欠陥内およびその付近に閉じ込められ、共鳴を起こす。【００２３】
フォトニック結晶は、光電変換層の媒質（第１の媒質とする）と、当該第１の媒質とは誘電率（屈折率）が異なる第２の媒質（柱状の媒質）との周期構造を備え、上記欠陥は、上記第２の媒質が欠落し、第１の媒質によって置き換わった領域である。したがって、欠陥内に閉じ込められ、共鳴を起こした光は、欠陥内およびその付近において光電変換層の媒質内を行き来し、光電変換層の媒質によって吸収され、光電変換される。【００２４】
ここで、上記係数κVと吸収係数αとがほぼ等しくなっている場合、言い換えると、ＱＶとＱαとがほぼ等しくなっている場合、光電変換層の媒質による光の吸収が最大になる。【００２５】
なお、ＱＶとＱαとがほぼ等しくなくても、上記のように０．２ＱＶ≦Ｑα≦５．４ＱＶの条件が満たされる場合には、フォトニック結晶による光の吸収効果が高くなる。【００２６】
したがって、上記の構成により、フォトニック結晶構造を備えた光電変換素子の光の吸収率を高めることができ、前述した波長５２０ｎｍから８２０ｎｍ程度までの帯域における光起電力を増大させることができる。また、欠陥準位に対応する共鳴ピークの波長を、光電変換層の媒質による吸収率の低い波長帯域に合わせることにより、より広範囲の波長帯域の光を吸収できる光電変換素子を得ることができる。【００２７】
なお、ある着目した請求項に記載された構成と、その他の請求項に記載された構成との組み合わせが、その着目した請求項で引用された請求項に記載された構成との組み合わせのみに限られることはなく、本発明の目的を達成できる限り、その着目した請求項で引用されていない請求項に記載された構成との組み合わせが可能である。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の光電変換素子は、以上のように、光電変換層と、フォトニックバンドギャップを持つように、上記光電変換層の内部に形成されたフォトニック結晶であって、上記光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が、上記光電変換層の媒質内に周期的に配置されているとともに、上記フォトニックバンドギャップに欠陥準位を生成するように、上記柱状の媒質が配置されていない欠陥が形成されたフォトニック結晶とを備え、上記欠陥準位に対応する共鳴ピークの波長をλとしたとき、上記柱状の媒質は、波長λに対して、λ／７以上、λ／２以下のピッチで、二次元的に配置されており、上記フォトニック結晶と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、上記フォトニック結晶と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱＶと、上記光電変換層の媒質による光の吸収係数αの逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱαとが、０．２ＱＶ≦Ｑα≦５．４ＱＶを満たす範囲にある構成である。【００２９】
それゆえ、光電変換層に入射する光は、欠陥内に閉じ込められ、共鳴を起こすとともに、光電変換層の媒質による光の吸収が増大する。したがって、本発明は、フォトニック結晶構造を備えた光電変換素子の光の吸収率を高めることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】一実施形態に係る光電変換素子の全体構成を概略的に示す図である。
【図２】フォトニック結晶の構成を示す図であり、（ａ）は上面を示し、（ｂ）（ｃ）は（ａ）のＡ−Ｂ線矢視断面を示している。
【図３】フォトニック結晶に対する光の入射方向と、規格化周波数との関係によってフォトニックバンド構造を示すグラフである。
【図４】三角格子を持つフォトニック結晶の逆格子空間中の位置を示す説明図である。
【図５】フォトニック結晶が作り込まれた光電変換層を示す斜視図である。
【図６】フォトニック結晶を持つ光起電力デバイスの結合の大きさとＱ値との関係を説明するための説明図である。
【図７】フォトニック結晶の欠陥による共振器を作成した場合に、当該共振器のＱ値を説明するための説明図である。
【図８】光の共鳴ピークを波長と強度との関係において示すグラフである。
【図９】光電変換素子の他の構成例を概略的に示す断面図である。
【図１０】光電変換素子のさらに他の構成例を概略的に示す図である。
【図１１】光電変換素子のさらに他の構成例を概略的に示す図である。
【図１２】実施例１としての光電変換素子の積層構造を示す断面図である。
【図１３】光電変換素子に作り込んだフォトニック結晶のナノロッドおよび欠陥（キャビティ）の二次元配置を示す平面図である。
【図１４】フォトニック結晶の欠陥の周囲にて、ナノロッドの周期構造に意図的に形成した乱れを示す説明的な平面図である。
【図１５】実施例１の光電変換素子に作り込んだフォトニック結晶の欠陥で発生した共鳴を、規格化周波数と光強度との関係によって示すグラフである。
【図１６】実施例１と同様の積層構造における半導体層に作り込んだフォトニック結晶のナノロッドおよび欠陥の他の二次元配置（実施例２）を示す平面図である。
【図１７】図１６に示す欠陥領域の１つを拡大して示す説明的な平面図である。
【図１８】実施例２の光電変換素子に作り込んだフォトニック結晶の欠陥領域で発生した共鳴を、規格化周波数と光強度との関係によって示すグラフである。
【図１９】光電変換素子の製造工程を示す工程図である。
【図２０】ａ‐Ｓｉの光の波長に対する吸収率を表すグラフである。
【図２１】フォトニック結晶を備えた従来の太陽電池セルの構成を表す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の実施の一形態について図１ないし図１１に基づいて説明すれば、以下のとおりである。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００３２】
（光電変換素子の構成例１）
図１は、本実施形態の光電変換素子１の全体構成を概略的に示す図である。図１の（ａ）は、光電変換素子１の斜視図を示し、図１の（ｂ）（ｃ）は、光電変換素子１の断面図を示している。
【００３３】
光電変換素子１は、入射光を、光電変換することで電流に変換する素子であり、光を電気信号へと変換する装置に用いることができる。
【００３４】
光電変換素子１は、フォトニック結晶が作り込まれた光電変換層２と、光電変換層２を上下に挟む透明導電層３・４と、光入射側の透明導電層３を覆うガラス基板５と、光入射側とは反対側、すなわち裏面側の透明導電層４を覆う金属電極層６とを備えている。なお、金属電極層６は、光が光電変換素子１に入射する側とは反対側の最外層に配された層である。また、透明導電層３は、光電変換層２の媒質より屈折率が小さい媒質からなる２つの層の一方であり、透明導電層４は、その２つの層の他方である。
【００３５】
光電変換層２は、極性の異なる半導体層が隣接した構造を有している。本発明にとって、その構造は特に限定されないが、例えば、図１の（ｂ）（ｃ）に示すように、真性半導体層（ｉ層）２０をｐ型半導体層２１とｎ型半導体層２２とで挟んだｐｉｎ縦型構造を採用してもよい。
【００３６】
より具体的には、透明導電層３・４の材料として、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯ、ＳｎＯ２などを選択できる。ガラス基板５としては、例えば屈折率が１．５２程度のガラスを選択できる。また、金属電極層６の材料として、光反射率が高く、電気伝導度が大きな材料、例えば、ＡｇまたはＡｌなどを選択できる。
【００３７】
ガラス基板５を介して光電変換層２に入射した光は、主に真性半導体層２０で電子と正孔とを発生させるとともに、電子を価電子帯から導電帯へと励起することによって、真性半導体層２０で吸収される。励起された電子は、透明導電層３、金属電極層６および外部抵抗７によって形成された回路を流れる電流となり、外部抵抗７に起電力を発生させる。
【００３８】
なお、金属電極層６を、反射板としても機能させることができ、光電変換層２で光電変換されず、透過してきた光を、再び光電変換層２へと反射させることもできる。金属電極層６を、光電変換素子１の裏面の全面を覆って配することで、光電変換層２を透過した光を確実に反射することができるので、より、光の吸収効率が高い光電変換素子１を構成することができる。
【００３９】
また、光電変換層２に形成されたフォトニック結晶は、図５にその斜視図を示すように、複数のナノロッド（柱状の媒質）３０が、光の波長程度の厚みを持つ光電変換層２の媒質内に周期的に配置された二次元フォトニック結晶である。ナノロッド３０は、光電変換層２の媒質より屈折率が小さい媒質で、例えば柱状に形成されている。光電変換層２の媒質が、例えば、屈折率が３〜４程度のアモルファスシリコン（ａ‐Ｓｉ）の場合、ナノロッド３０の媒質は、空気でもよいし、屈折率が１．４５のＳｉＯ２でもよい。このほかに、ナノロッド３０の材料として、屈折率１．６程度のＪＡＳ（透明樹脂材料）、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ−ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）材料として用いられるＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ：水素シルセスキオキサン）として、例えばＦＯＸ（東レ・ダウコーニング社の登録商標）などを用いることもできる。
【００４０】
光電変換層２の他の媒質として、微結晶シリコン（μＣ−Ｓｉ）、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＮＩＮＧａＰ、（Ｉｎ）ＧｅＡｓ、ＧａＡｓなどを選択できる。
【００４１】
ナノロッド３０の配置間隔、すなわちピッチ（間隔）ｐは、あとで説明するフォトニックバンドギャップを的確に生成する上で、光の波長λより短いことが好ましく、λ／７以上、λ／２以下の範囲を取ることがより好ましい。なお、波長λとは、フォトニック結晶内に閉じ込められて共鳴する光の波長、より具体的には共鳴ピークを示す波長である。
【００４２】
また、ナノロッド３０の高さは、図１の（ｂ）に示すように、光電変換層２の厚みと等しくてもよいし、図１の（ｃ）に示すように、光電変換層２の厚みより小さくてもよい。より具体的には、ナノロッド３０の高さは、光電変換層２の厚みの約１／４以上、１／１以下である。
【００４３】
図１の（ｂ）に示す例では、ナノロッド３０は、ｐ型半導体層２１、真性半導体層２０およびｎ型半導体層２２を貫通することによって、光電変換層２の厚みと等しい高さを持っている。一方、図１の（ｃ）に示す例では、ナノロッド３０は、ｐ型半導体層２１を貫通し、真性半導体層２０の厚みの途中まで達する高さを持っている。
【００４４】
さらに、ナノロッド３０の半径は、ピッチａを基準として、０．２ａ（直径０．４ａ）以上、０．４ａ（直径０．８ａ）以下の範囲を取ることが好ましい。
【００４５】
なお、ナノロッド３０の断面形状は、図２の（ｂ）（ｃ）にも示すように、上下対称な円柱状または角柱状でもよいし、上下非対称な角錐台または円錐台形状でもよい。
【００４６】
（フォトニックバンド構造）
上記のような構成を備えたフォトニック結晶には、図３に示すようなフォトニックバンド構造が生成される。図３は、上記フォトニック結晶に対する光の入射方向と、規格化周波数との関係によってフォトニックバンド構造を示すグラフである。このグラフは、フォトニック結晶内に進入し、フォトニック結晶内で共鳴する光の波長に対応する規格化周波数を、光の入射方向との関係によってプロットした点を結ぶことによって作成されている。
【００４７】
より具体的には、ナノロッド３０の媒質による低誘電バンドと、光電変換層２の媒質による高誘電バンドとが生成される。
【００４８】
このフォトニックバンド構造には、フォトニック結晶内で存在できない光の波長帯域（禁制帯）として、低誘電バンドと高誘電バンドとに挟まれたフォトニックバンドギャップｇが含まれている。
【００４９】
上記規格化周波数は、フォトニック結晶の上記ピッチａと光の周波数とが相関関係にあるために用いられるパラメータであり、ａ／λとして表される。したがって、図３では、グラフの縦軸の上に向かって、波長が小さくなる。
【００５０】
なお、光の入射方向を、図４に示すように、三角格子（結晶工学での六方細密構造の２次元平面部分）の逆格子空間ベクトルで表した結晶の方位によって示している。これは、光が感じる結晶配置は、逆格子空間（第１ブリルアンゾーン）で表した配置となるからである。
【００５１】
図３において、Ｋ点は、Γ点を囲む正六角形の格子形状のうちの１つの角を示し、その角と隣接する角との間の点がＭ点である。Γは、直上からフォトニック結晶の表面に向かう方向を表す。Ｋ，Ｍは、面内の方向を表すのに用いられ、ΓＭ、ＭＫ、ＫΓのように、起点終点の組み合わせによって面内の方向を表す。
【００５２】
Γ，Ｋ，Ｍを頂点とする三角形が単位格子であり、六角形の中に１２個の単位格子が含まれている。１つの単位格子について方向を決めておけば、全ての単位格子についても方向を決めることができる。例えば、高誘電バンドでは、図３のＭに対応する規格化周波数は約０．２であるが、これは、ΓＭの面内方向に伝播することのできる光は、規格化周波数０．２に対応する波長を持った光のみであることを意味している。
【００５３】
（欠陥準位）
次に、図１の（ｂ）（ｃ）、図２の（ａ）〜（ｃ）、図５および図６に示すように、ナノロッド３０の周期構造の中に、ナノロッド３０を設けない領域、すなわち欠陥（キャビティまたはナノキャビティと呼ぶこともある）３１を形成すると、フォトニックバンドギャップｇの中に、欠陥準位ｃが生成される。この欠陥準位ｃに対応する波長帯域（許容バンド）の光は、欠陥３１内で存在することが許される一方で、欠陥３１の周囲のフォトニック結晶では存在することが許されない。この結果、欠陥３１は、欠陥準位ｃに対応する波長帯域の光を閉じ込める微小な共振器（共鳴器）となる。
【００５４】
欠陥３１の設け方として、一例は、図２の（ａ）に示すように、ナノロッド３０を１つ設けない領域を作る１格子点欠陥、または図１６に示すように、３つのナノロッド３０を線状に設けない領域を作る３格子点線状欠陥などを採用することができる。
【００５５】
このように、ナノロッド３０と欠陥３１とによって構成されたフォトニック結晶は、特定の方向に偏光特性等を持たない。また、そうなるために、フォトニック結晶の構造は、基本的にどの断面で見ても、左右対称な構造としている。その構造によって得られる電磁場は、同心円状に得られることが望ましい。
【００５６】
（Ｑ値に基づくフォトニック結晶の設計）
ここで、光電変換素子１の外部とフォトニック結晶との光の結合の大きさをＱ値を用いて考える。Ｑ値は、電気工学の共振のＱ値と同様、電磁波としての光の共鳴効果の大きさを表す。Ｑ値の表し方は、いろいろあるが、下記の式１または式２によって表すことができる。
【００５７】
Ｑ＝λｐ／Δλ    …式１
Ｑ＝ωＵ／（−ｄＵ／ｄｔ）    …式２
図８は、光の共鳴ピークを波長と強度との関係において示すグラフである。図８に示すように、上記式１のλｐは共鳴ピークの波長であり、Δλは半値幅である。
【００５８】
上記式２のωは、共振角周波数、Ｕは共振器内の内部エネルギー、ｔは時間である。
【００５９】
式１から、半値幅Δλが小さくなるほど共鳴が強くなるので、共鳴が強いほどＱ値が大きくなることが分かる。また、共鳴が強いほど、共振の振幅は大きくなり、波動が減衰しにくくなるため、Ｑ値が大きいほど、共振器に光が存在する時間（ライフタイム）が長くなることが分かる。
【００６０】
また、式２から、共振器からエネルギーが失われる程度が小さいほど、すなわち−ｄＵ／ｄｔが小さいほど、Ｑ値が大きくなることが分かるので、Ｑ値は、共振器が光を閉じ込める強さを表すともいえる。
【００６１】
レーザー発光ダイオードなどにフォトニック結晶を作り込む場合には、共鳴を強くして発光強度を増大させたいため、Ｑ値をできるだけ大きくすることが、フォトニック結晶を設計するときの目標となる。しかし、本発明の場合、上記とは逆に、Ｑ値をできるだけ小さくし、共振器に閉じ込められる光の波長帯域を広げ（つまり、半値幅を広げ）るとともに、光のライフタイムを短くして、半導体層に吸収される度合いを大きくすることが、フォトニック結晶を設計するときの目標となる。なお、光の半値幅を広げると、外部とフォトニック結晶との光の結合が行いやすくなるため、光のライフタイムが短くなる。
【００６２】
ここで、図６に示す欠陥３１を図７に示す共振器とみなし、外部空間およびフォトニック結晶の母材の媒質（すなわち前記光電変換層２を構成する半導体）を含めた系全体で、Ｑ値を考える。光電変換素子１全体のＱ値をＱＴとし、フォトニック結晶と外部空間との結合に関するＱ値をＱｖ、フォトニック結晶の面内方向の伝播に関するＱ値をＱｉｎ、上記媒質による光の吸収に関するＱ値をＱα、前記金属電極層６による光の吸収に関するＱ値をＱＭとすると、以下の関係式（式３）が成り立つ。
【００６３】
なお、上記Ｑαは、下記の式４でも示すように、フォトニック結晶の母材の光吸収係数αの逆数に比例する。
【００６４】
１／ＱＴ＝１／Ｑｖ＋１／Ｑｉｎ＋１／Ｑα＋１／ＱＭ    …式３
Ｑｖは、フォトニック結晶と外部空間との結合の強度（結合のしやすさ）を表す係数κVの逆数に比例し、フォトニック結晶と外部空間との結合による外部空間への光の出やすさを表す。なお、フォトニック結晶の構造が決まれば、時間領域差分（ＦＤＴＤ：Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ）法を用いて、Ｑｖを算出することができる。すなわち、Ｑｖは、フォトニック結晶の構造によって決まるＱ値である。
【００６５】
Ｑｉｎは、フォトニック結晶に進入した光が、水平方向に伝播するときの伝播のしやすさを表すので、光閉じ込めの観点では、光が閉じ込められずに、共振器から漏れていく漏れやすさを表す。ＱαおよびＱＭは、それぞれ、媒質および金属電極層６を形成する金属が光を吸収することによる共鳴効果の大きさを表す。ＱＭは測定によって求めることができる。
【００６６】
一方、Ｑαは、媒質に固有の吸収係数α、媒質の屈折率ｎおよび共鳴ピークの波長λと、下記の式４の関係を有している。すなわち、Ｑαは、媒質の材料によって決まるＱ値である。
【００６７】
α＝２πｎ／λＱα    …式４
上記式３の関係式において、Ｑｖ＝Ｑαとなるとき、言い換えると、κV＝αとなるとき、媒質による光の吸収が最大になるとともに、吸収される光の波長帯域が最大になる。
【００６８】
また、共振器での共振効果が理想的であり、光半導体デバイスの面内に光が漏れることが無ければ、Ｑｉｎ＝∞とみなすことができる。
【００６９】
以上より、
ＱＴ＝π・ｎ・ＱＭ／（λ・α・ＱＭ＋π・ｎ）    …式５
が導かれる。
【００７０】
ここで、Ｑｖ＝Ｑαとなるようにフォトニック結晶を設計した光電変換素子１全体のＱ値（ＱＴ）を、式５を使って具体的に求めてみる。まず、媒質をａ‐Ｓｉとすると、その屈折率ｎは４．１５４、吸収係数αは６５５３４ｃｍ−１となる。さらに、波長λを６６０ｎｍ、金属のＱＭを４０００とすると、
ＱＴ＝１１．１
と非常に小さな値になり、式１から、Δλ＝５９．５ｎｍが導かれ、非常に広い半値幅になる。
【００７１】
したがって、Ｑｖ＝Ｑαとなるようにフォトニック結晶を設計（ナノロッド３０の半径およびピッチａなどを設計）すれば、欠陥３１に閉じ込めた光が媒質によって吸収され易く、かつ、広い波長範囲で共鳴効果を得ることができる。言い換えると、本発明の光電変換素子は、フォトニック結晶の構造によって決まるＱ値と、フォトニック結晶を作り込む光電変換層の媒質の材料によって決まるＱ値とを一致させたフォトニック結晶を、光電変換層中に備えた光電変換素子であるといえる。
【００７２】
ここで、係数κVと吸収係数αとの関係について補足する。まず、光起電力材料はもともとある程度高い光の吸収率を持っているので、αは大きい傾向があり、Ｑαは逆に小さくなる傾向がある。
【００７３】
一方で、光起電力材料中にフォトニック結晶を加工した場合、一般的に、光起電力材料の屈折率がナノロッドの屈折率より１以上高いため、フォトニック結晶をそのまま加工すると、係数κVが小さくなり、ＱＶが逆に大きくなる傾向にある。したがって、もともと、κV≦α（ＱＶ≧Ｑα）の大小関係が存在する。
【００７４】
本発明の達成目標として、光起電力デバイスでの光吸収量を増強させるためには、フォトニック結晶の欠陥により構成された共鳴器に結合された光が、光起電力デバイスの吸収過程に移ることが必要である。この効果が最大になるのが、κV＝α（ＱＶ＝Ｑα）である。
【００７５】
上記の前提から、光起電力デバイスの光の吸収量の増強を行なうためには、κV＝α（ＱＶ＝Ｑα）が必要であり、そのためには、κVを大きくする（ＱＶを小さくする）必要がある。κVを大きくする（ＱＶを小さくする）ためには、フォトニック結晶で構成される共鳴器全体（デバイス全体）の結合の割合を大きくする（光起電力デバイスのＱ値、すなわち上記ＱＴを小さくする）必要がある。
【００７６】
なお、前述したモード結合理論を考慮すると、より詳細な議論が可能となる。具体的には、光電変換素子１内の透明導電層４に相当する透明層の厚みが、光の反射時の位相差θに対して、θ=２ｍπ(ｍ＝０,１,２…)を満たす場合、光半導体層に吸収される光エネルギー量の割合をＰＶとすると、
ＰＶ＝（８・Ｑα／ＱＶ）／（１＋２Ｑα／ＱＭ＋２Ｑα／ＱＶ）２
となる。この関係式から、光の９割以上を利用するためには、０．２ＱＶ≦Ｑα≦５．４ＱＶを満たす範囲でフォトニック結晶構造を設計することが望ましいことを導ける。
【００７７】
（光電変換素子の構成例２）
図９は、光電変換素子１の他の構成例を概略的に示す断面図である。本構成例では、フォトニック結晶が、真性半導体層２０内に形成されている点が、図１で説明した光電変換素子１の構成と異なっている。
【００７８】
図９に示すように、複数のナノロッド３０ａが、真性半導体層２０内に二次元的かつ周期的に配置され、部分的にナノロッド３０ａを設けていない欠陥３１ａが形成されている。
【００７９】
既に説明したように、光電変換層２に入射した光は、主に真性半導体層２０で電子と正孔とを発生させるとともに、電子を価電子帯から導電帯へと励起することによって、真性半導体層２０で吸収されるので、少なくとも真性半導体層２０内にフォトニック結晶を形成すれば、光電変換の効率を向上させることができる。
【００８０】
（光電変換素子の構成例３）
図１０は、他の構成例として、光電変換素子１０の全体構成を概略的に示す図である。図１０の（ａ）は、光電変換素子１０の斜視図を示し、図１０の（ｂ）（ｃ）は、光電変換素子１０の断面図を示している。
【００８１】
光電変換素子１０は、フォトニック結晶が作り込まれた光電変換層２ａと、光電変換層２ａを上下に挟む誘電体層の一方として、光電変換層２ａの光入射側に積層されたパッシベーション膜４０と、上記誘電体層の他方として、光電変換層２ａの裏面を覆う絶縁層４１と、絶縁層４１の裏面を覆う反射膜４２とを備えている。なお、パッシベーション膜４０は、光電変換層２ａの媒質より屈折率が小さい媒質からなる２つの層の一方であり、絶縁層４１は、その２つの層の他方である。
【００８２】
光電変換層２ａは、図１に示すｐｉｎ縦型構造ではなく、ｐｉｎラテラル型構造を有している。すなわち、光電変換層２ａは、ｐ型半導体層２１ａ、真性半導体層（ｉ層）２０ａおよびｎ型半導体層２２ａがこの順に横並びして隣接した構造を採っている。
【００８３】
ラテラル構造は、光電変換素子を薄くするのに有利である。さらに、ラテラル構造は、各層の重なりが、縦型構造より少ないため、各層間の寄生容量が小さくなる結果、センシング速度（光応答速度）が縦型構造より速くなるというメリットも持っている。
【００８４】
また、ｐ型半導体層２１ａおよびｎ型半導体層２２ａには、光入射側に、電力取り出し用の電極４３，４４がそれぞれ積層されているため、真性半導体層２０ａの上面が、受光面となる。したがって、フォトニック結晶が作りこまれた真性半導体層２０ａを上下に挟むパッシベーション膜４０と絶縁層４１とのうち、少なくともパッシベーション膜４０を透明とすれば、フォトニック結晶に光を取り込むことができる。
【００８５】
フォトニック結晶は、複数のナノロッド３０ａが、光の波長程度の厚みを持つ真性半導体層２０ａ内に周期的に配置された二次元スラブフォトニック結晶である。ナノロッド３０ａの高さは、図１０の（ｂ）に示すように、真性半導体層２０ａの厚みと等しくてもよいし、図１０の（ｃ）に示すように、真性半導体層２０ａの厚みより小さくてもよい。より具体的には、ナノロッド３０の高さは、真性半導体層２０ａの厚みの約１／４以上、１／１以下である。
【００８６】
また、ナノロッド３０ａの周期構造（ピッチａはナノロッド３０と同じ）の中には、前記欠陥３１と同様に、フォトニックバンドギャップの中に欠陥準位を生成するため、ナノロッド３０ａを設けない領域としての欠陥３１ａが形成されている。
【００８７】
パッシベーション膜４０は、屈折率が１．２〜２．０程度であって、光電変換層２ａの媒質（例えば、ａ‐Ｓｉ）の屈折率より低い誘電体によって形成されている。その誘電体としては、ＳｉＯ２またはＳｉＮｘなどの無機絶縁材料を選択できる。絶縁層４１も、パッシベーション膜４０と同じ材料で形成すればよい。
【００８８】
パッシベーション膜４０は、光電変換層２ａの受光面においてキャリアの再結合を抑止する働きをする。例えば、プラズマＣＶＤ(Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)法によってＳｉＯ２膜またはＳｉＮｘ膜などを成膜するときに発生するＨ２ガスが、キャリアの再結合を抑止するのに重要な働きをする。これは、光電変換層２ａの受光面に存在するシリコンの未結合手の多くが水素と結合する結果、再結合中心の密度が小さくなるため、光照射によって生成した電子と正孔のライフタイムが長くなるからである。
【００８９】
反射膜４２は、光電変換層２ａおよび絶縁層４１を通過した光を、光電変換層２ａの方へ反射する。反射膜４２の形成材料として、光反射率が高く、吸収の小さいＭｏ、Ａｌなどの金属材料を選択できる。
【００９０】
上記の構成において、主に、真性半導体層２０ａにおける光励起によって発生した電荷は、ｐ型半導体層２１ａ上の電極４３、ｎ型半導体層２２ａ上の電極４４および外部抵抗によって形成された回路を流れる電流となり、外部抵抗に起電力を発生させる。
【００９１】
なお、反射膜４２は、光電変換素子１０の光入射面側から入射した光のうち、光電変換層２ａを透過した光を、再び光電変換層２ａへと反射させるために設けられている。このため、反射膜４２は、光電変換素子１０の裏面の全面を覆って形成することが好ましい。
【００９２】
（光電変換素子の構成例４）
図１１は、さらに他の構成例として、光電変換素子１１の全体構成を概略的に示す図である。図１１の（ａ）は、光電変換素子１１の斜視図を示し、図１１の（ｂ）（ｃ）は、光電変換素子１１の断面図を示している。
【００９３】
光電変換素子１１は、矩形状の真性半導体層２０ｂの対向する両端部において、真性半導体層２０ｂ上にｎ型半導体層２２ｂを積層したｎｉｎ構造を有し、ａ−Ｓｉを半導体層とするＴＦＴと同様の構造を備えている。両端部のｎ型半導体層２２ｂの上には、電力取り出し用の電極がそれぞれ積層されているため、真性半導体層２０ｂの上面のうち、ｎ型半導体層２２ｂが形成されていない中央部が、受光面となる。
【００９４】
したがって、フォトニック結晶は、上記受光面下にある真性半導体層２０ｂの部分領域２０ｃ内に作りこまれている。フォトニック結晶を構成するナノロッド３０ｂおよび欠陥３１ｂは、前記ナノロッド３０ａおよび欠陥３１ａと同じ構成である。
【００９５】
ｎ型半導体層２２ｂの上に積層された上記電極は、ＩＴＯ電極４５および金属電極４６の２層構造を有している。これは、光電変換層２ａにＳｉを用いた場合、Ｓｉに金属層を直接形成できないため、ＩＴＯ電極４５をＳｉ上に形成しておく必要があるからである。ＩＴＯ電極４５および金属電極４６の２層構造にすることにより、金属電極４６が移動し、電極間の絶縁抵抗を低下させるマイグレーションを防止することができる上、電極全体の抵抗値を下げることもできる。
【００９６】
真性半導体層２０ｂの裏面側には、ＴＦＴのゲート絶縁膜と同じ働きをする絶縁層４７が形成され、絶縁層４７の裏面側をＴＦＴのゲート電極と同じ働きをする金属電極層４８が覆っている。金属電極層４８の形成材料として、Ｔｉ、Ａｌなどを選択できる。
【００９７】
上記の構成において、主に、真性半導体層２０ｂにおける光励起によって発生した電荷は、真性半導体層２０ｂの両側に配された上記金属電極４６および外部抵抗によって形成された回路を流れる電流となり、外部抵抗に起電力を発生させる。
【００９８】
また、逆スタガ型のＴＦＴ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）をフォトトランジスタとする光センサにフォトニック結晶を作り込む場合には、半導体層の中で、ゲート電極の上方に位置する部位にフォトニック結晶を作り込めばよい。ＴＦＴに照射された光のうち、ゲート電極に到達した光は、ゲート電極によって反射され、フォトニック結晶に戻されるので、センサによる光起電力を増加させることができる。
【実施例】
【００９９】
（実施例１）
以下、図１２から図１５に基づいて、上記光電変換素子の実施例を説明する。【０１００】
図１２は、実施例１としての光電変換素子６０の積層構造を示す断面図であり、図１３は、光電変換素子６０に作り込んだフォトニック結晶のナノロッドおよび欠陥（ナノキャビティ）の二次元配置を示す平面図である。【０１０１】
光電変換素子６０の受光面側から、ガラス基板７１、ＺｎＯからなる透明導電層７２、ａ‐Ｓｉのｐｉｎ接合構造を有した半導体層７３、ＺｎＯからなる透明導電層７４およびＡｌからなる金属電極層７５が、この順に積層されている。なお、透明導電層７２・７４の形成材料として、ＳｎＯ２を用いてもよい。【０１０２】
ガラス基板７１、透明導電層７２、半導体層７３および透明導電層７４の各屈折率は、この順に、１．５２、２．０、３．７６、２．０であり、フォトニック結晶が作り込まれる高屈折率の半導体層７３を、低屈折率の透明導電層７２・７４が挟んでいる。【０１０３】
また、透明導電層７２、半導体層７３、透明導電層７４および金属電極層７５の各厚みは、この順に、９００ｎｍ、３３０ｎｍ、６０ｎｍ、１００ｎｍである。【０１０４】
透明導電層７２、半導体層７３、透明導電層７４および金属電極層７５は、上記の厚みで、ガラス基板７１上に順次蒸着して形成されている。【０１０５】
半導体層７３には、図１等を参照して説明したように、直径ｒが６０ｎｍの円柱状のナノロッド７６が、２００ｎｍのピッチａで二次元的に配置されている。なお、ナノロッド７６は、屈折率１．４５のＳｉＯ２によって形成されている。【０１０６】
図１３に示すように、ナノロッド７６が、平面視した場合に、三角格子により構成される六角形の各頂点と中心とにより構成される配置を第１ユニット（図１３に細線で示す）とすると、ナノロッド７６のピッチはａだから、二次元的に配置された第１ユニットは、ｘ方向に２ａ、ｘ方向に直交するｙ方向に√３ａのピッチで配置される。また、ナノロッド７６が形成されていない欠陥７７は、ｘ方向に４ａから８ａ、ｙ方向に２√３ａから４√３ａのピッチで、正方格子状に配置されている。【０１０７】
第１ユニットおよび欠陥７７の配置の各ピッチについてさらに説明する。例えば、上記第１ユニットを構成する六角形の中心同士が、ｘ方向に隣り合う距離をＬxとし、ｙ方向に隣り合う距離をＬyとすると、二次元的に配置された第１ユニットは、ｘ方向にＬx＝２ａ、ｙ方向にＬy＝２√３ａのピッチで配置されている。したがって、上記欠陥は、ｘ方向に２Ｌx〜４Ｌx、ｙ方向にも２Ｌy〜４Ｌyのピッチで配置されている。【０１０８】
上記正方格子状の配置とは、ｘ方向およびｙ方向の配置が、同一ピッチになっている配置を意味する。例えば、ｘ方向に２Ｌx、ｙ方向にも２Ｌyのピッチで欠陥７７を配置すると、それは正方格子状の配置となる。【０１０９】
このように、正方格子状に欠陥７７を設けると、半導体層７３の受光面全体に配置された欠陥７７でそれぞれ発生する共鳴が相互作用を起こしていることをＦＤＴＤ法を用いたシミュレーション上で確認できた。【０１１０】
なお、共鳴し合う面積が大きくなるほど、光電変換素子６０全体のＱ値（ＱＴ）は小さくなる。また、半導体層７３の厚みに対して、ナノロッド７６の高さを低くすると、上記Ｑ値（ＱＴ）は小さくなるため、結果として、外部との結合の係数κVが大きくなる。以上の議論を元に、光起電力層（半導体層７３）で吸収できる光の量を増加させることができる。【０１１１】
さらに、図１４に示すように、上記欠陥７７を取り囲むナノロッド７６のうち、特定方向（ｘ方向）に沿った線Ｍ上に配置された２つのナノロッド７６ａ・７６ｂの位置に関して、上記六角形の各頂点の位置（線Ｌ１およびＬ２にて示す）から、上記特定方向に沿って、互いに逆方向で、互いに近寄る方向にシミュレーション上でシフトさせる検討を行った。【０１１２】
このように、欠陥７７の周囲で、ナノロッド７６の周期構造を乱すと、欠陥７７内に閉じ込められて共振する光の共鳴ピークの縮退を解けることがＦＤＴＤ法を用いたシミュレーション上で明らかにできた。その結果を図１５に示す。図１５は、上記実施例１の光電変換素子６０に作り込んだフォトニック結晶の欠陥７７で発生した共鳴効果を、規格化周波数と光強度との関係によって示すグラフである。図１５に示すように、一つの欠陥（1dotのキャビティ）であるにもかかわらず、２つの共鳴点ができている。【０１１３】
（実施例２）
続いて、図１６から図１８に基づいて、上記光電変換素子の他の実施例を説明する。【０１１４】
図１６は、光電変換素子６０と同様の積層構造における半導体層７３に作り込んだフォトニック結晶のナノロッドおよび欠陥（ナノキャビティ）の他の二次元配置を示す平面図である。【０１１５】
図１６に示すように、上記ナノロッド７６が、平面視した場合に、三角格子により構成される六角形の各頂点と中心とにより構成される配置の中に、上記欠陥が２つ以上形成された欠陥領域７８（例えば、図１６では３つ分のナノロッドが無い３格子点線状欠陥）を有した構成を第２ユニット（図１６に細線で示す）とすると、ナノロッド７６のピッチはａだから、二次元的に配置された第２ユニットは、ｘ方向に４ａ以上、ｙ方向に√３ａのピッチで配置され、上記欠陥は、ｘ方向に４ａから８ａ、ｙ方向に２√３ａから４√３ａのピッチで、正方格子状に配置されている。【０１１６】
このように、１つのユニット内に欠陥を２つ以上連続して形成することによっても、欠陥領域７８内に閉じ込められて共振する光の共鳴ピークの縮退を解けることがＦＤＴＤ法を用いたシミュレーション上で明らかにできた。その結果を図１８に示す。図１８は、欠陥領域７８で発生した共鳴を、規格化周波数と光強度との関係によって示すグラフである。図１８に示すように、３格子点線状欠陥によって、３つの共鳴点が発生している。【０１１７】
（光電変換素子の製造工程）
最後に、上記実施例１の光電変換素子６０の製造工程を詳しく説明する。図１９は、光電変換素子６０の製造工程を示す工程図である。【０１１８】
まず、図１９の（ａ）に示すように、ガラス基板７１上にＳｎＯ２を蒸着して透明導電層７２を形成し、さらに、ナノロッド７６の形成材料であるＳｉＯ２を３５０ｎｍの厚みで透明導電層７２上に蒸着し、ＳｉＯ２層８１を形成する。【０１１９】
次に、図１９の（ｂ）に示すように、ＳｉＯ２層８１上にフォトレジスト８２を、９００ｎｍの厚みを持つように塗布した後、電子ビーム露光によって、ナノロッド７６および欠陥７７の配置パターンに対応するパターンを描画する。フォトレジスト８２がポジ型の感光材料であれば、露光された部分を現像によって除去することによって、ピッチａ＝１５０〜２５０ｎｍおよび直径ｒ＝６０ｎｍで規定されたナノロッド７６の配置パターンと、欠陥７７の配置パターンとを形成する。【０１２０】
続いて、図１９の（ｃ）に示すように、上記配置パターンの全体にわたって、Ａｌを３００ｎｍの厚みで蒸着し、Ａｌ膜８３を形成する。【０１２１】
その後、図１９の（ｄ）に示すように、フォトレジスト８２を除去することにより、ナノロッド７６の形成部位にのみ、Ａｌ膜８３を残す。ＳｉＯ２層８１の厚みは、３５０ｎｍのまま変化しない。【０１２２】
さらに、図１９の（ｅ）に示すように、四フッ化炭素（ＣＦ４）をエッチングガスとする誘導結合型反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ‐Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用い、残ったＡｌ膜８３をマスクとして、マスクされていないＳｉＯ２を精度よく除去する。これにより、ナノロッド７６が透明導電層７２上に二次元的に配置された中間体９０が作製される。【０１２３】
次に、図１９の（ｆ）に示すように、中間体９０の表面全体にａ‐Ｓｉを蒸着し、ｐ型不純物をドープすることによりｐ型ａ‐Ｓｉ層８４を形成し、その上にａ‐Ｓｉを蒸着してｉ型ａ‐Ｓｉ層８５を形成し、その上にさらにａ‐Ｓｉを蒸着し、ｎ型不純物をドープすることによりｎ型ａ‐Ｓｉ層８６を形成する。各ａ‐Ｓｉ層８４〜８６の合計を、約３３０ｎｍに制御する結果、３５０ｎｍ厚みのナノロッド７６の上部は、ｎ型ａ‐Ｓｉ層８６の上面から少し隆起した状態になる。【０１２４】
また、各ａ‐Ｓｉ層８４〜８６のそれぞれの厚みは、ナノロッド７６の厚み（３５０ｎｍ）とその上のＡｌ膜８３の厚み（３００ｎｍ）との合計に比べ、約１／３以上に薄いため、各ａ‐Ｓｉ層８４〜８６は、透明導電層７２上に製膜される部分と、Ａｌ膜８３上に製膜される部分とで分離される。すなわち、ナノロッド７６上に残っているＡｌ膜８３は、その側面がａ‐Ｓｉで被覆されずに露出している。【０１２５】
続いて、塩酸（ＨＣｌ）を用いたウェットエッチングにより、残っていたＡｌ膜８３を除去する。ナノロッド７６上に残っていたＡｌ膜８３は、その側面が露出しているため、ウェットエッチングにより除去することができる。【０１２６】
最後に、図１９の（ｇ）に示すように、ＳｎＯ２を蒸着して透明導電層８７を形成し、さらに、金属電極層８８を積層すると、光電変換素子１が完成する。なお、ナノロッド７６の上方に位置する透明導電層８７の部位および金属電極層８８の部位は、ナノロッド７６の上部が、ｎ型ａ‐Ｓｉ層８６の上面から少し隆起した状態を反映して、上方へ少し隆起した状態となっている。【０１２７】
本発明は上述した実施形態および実施例に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、上記実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる他の実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。【０１２８】
本発明に係る光電変換素子の特徴点について、以下に補足する。【０１２９】
本発明の光電変換素子において、上記フォトニック結晶では、上記光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が、上記光電変換層の厚みと等しい高さを持って、上記光電変換層の媒質内に周期的に配置されていることを特徴とする。【０１３０】
上記の構成は、公知の半導体プロセス技術を用いて、比較的容易に作製することができる二次元フォトニック結晶の一構成例である。また、このような構成を備えた二次元フォトニック結晶は、表面に沿ってフォトニック結晶内を伝播する光を、上記欠陥内およびその付近に効率良く閉じ込めることができる。【０１３１】
さらに、柱状の媒質の高さを、上記光電変換層の厚みと等しくした場合、フォトニックバンドギャップが形成されやすくなるので、入射角度依存性を持たずに、光電変換層、言い換えればフォトニック結晶に光を進入させやすくなる。このため、上記の構成は、太陽電池のように、光の吸収率をできるだけ高くしたい光電変換素子に適している。【０１３２】
なお、上記フォトニック結晶では、上記光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が、上記光電変換層の厚みに満たない高さを持って、上記光電変換層の媒質内に周期的に配置されていてもよい。【０１３３】
本発明の光電変換素子において、上記柱状の媒質（ナノロッド）が、平面視した場合に、三角格子により構成される六角形の各頂点と中心とにより構成される配置を第１ユニットとし、上記柱状の媒質の上記ピッチをａとすると、二次元的に配置された第１ユニットは、ｘ方向に２ａ、ｘ方向に直交するｙ方向に√３ａのピッチで配置され、
上記欠陥（ナノロッドの無い部分）は、ｘ方向に４ａから８ａ、ｙ方向に２√３ａから４√３ａのピッチで、正方格子状に配置されていることを特徴とする。【０１３４】
上記構成によれば、上記κVとα（もしくはＱＶとＱα）とがほぼ等しくなるので、光電変換層の媒質による光の吸収を最大にするとともに、吸収される光の波長帯域をも最大にすることができる。なお、上記欠陥を、光を閉じ込める共鳴器とみなすことができ、複数の共鳴器をマトリクス状に配置することによって、各共鳴器を相互に共鳴させ、全体の共鳴の強さを小さく（ＱＶを小さく＝κVを大きく）することができる。これにより、フォトニック結晶と外界との結合の強度が大きくなるので、光をフォトニック結晶内に取り込み易くなる一方、フォトニック結晶のＱ値が小さくなるので、光電変換層の光が吸収される度合いが大きくなるとともに、吸収される光の波長帯域を大きくすることができる。【０１３５】
なお、上記柱状の媒質が、平面視した場合に、三角格子により構成される六角形の各頂点と中心とにより構成される配置の中に、上記欠陥が２つ以上形成された構成を第２ユニットとし、上記柱状の媒質の上記ピッチをａとすると、二次元的に配置された第２ユニットは、ｘ方向に４ａ以上、ｙ方向に√３ａのピッチで配置され、上記欠陥は、ｘ方向に４ａから８ａ、ｙ方向に２√３ａから４√３ａのピッチで、正方格子状に配置された構成であってもよい。【０１３６】
この場合にも、上記κVとα（もしくはＱＶとＱα）とがほぼ等しくなるので、上記と同様の効果が得られる。【０１３７】
さらに、柱状の媒質が六角形に配置されたユニット内に２つ以上の欠陥を形成することによって、共鳴ピークの縮退が解け、波長が異なる複数の共鳴ピークが現れる。この結果、吸収される光の波長帯域が増える効果も得られる。【０１３８】
本発明の光電変換素子において、上記欠陥を取り囲む上記柱状の媒質のうち、特定方向に沿った線上に配置された２つの柱状の媒質の位置が、上記六角形の各頂点の位置から、上記特定方向に沿って、互いに逆方向で距離が短くなる方向にシフトしていることを特徴とする。【０１３９】
上記の構成によれば、上記柱状の媒質の周期的な配置が乱されるため、共鳴ピークの縮退が解け、波長が異なる複数の共鳴ピークが現れる。この結果、吸収される光の波長帯域が増える効果が得られる。【０１４０】
本発明の光電変換素子において、上記光電変換層は、光電変換層の媒質より屈折率が小さい媒質からなる２つの層によって挟まれ、上記２つの層の少なくとも一方は、透明であることを特徴とする。【０１４１】
上記の構成によれば、高屈折率のコアを、低屈折率のクラッドで被覆した光ファイバと同じ原理で、光電変換層の表面に垂直な方向に伝播し、漏れ出ようとする光を閉じ込めることができる。この結果、光電変換層による光の吸収率をさらに向上させることができる。【０１４２】
なお、フォトニック結晶に光を進入させるため、上記２つの層のうち、少なくとも、光電変換素子の受光面側に配された層を透明とすればよい。【０１４３】
本発明の光電変換素子において、上記光電変換層は、ｐ型半導体層、真性半導体層およびｎ型半導体層の各層の隣接構造、あるいは、ｎ型半導体層、真性半導体層およびｎ型半導体層の各層の隣接構造を有し、上記隣接構造は、各層が縦積みされた縦型構造、または横並びされた横型構造であることを特徴とする。【０１４４】
上記のように、ｐ型半導体層、真性半導体層およびｎ型半導体層の各層の隣接構造を備えた光電変換素子は、いわゆるｐｉｎ型光電変換素子である。また、ｎ型半導体層、真性半導体層およびｎ型半導体層の各層の隣接構造を備えた光電変換素子は、いわゆるｎｉｎ型光電変換素子である。【０１４５】
ｐｉｎ型またはｎｉｎ型の光電変換素子は、真性半導体層で電子および正孔が生成され、効率良く電流を取り出すことができるので、太陽電池または光センサなどの用途に適している。【０１４６】
また、縦型構造は、光電変換素子の占有面積を小さくするのに有利であり、横型（ラテラル）構造は、光電変換素子を薄くするのに有利である。さらに、横型構造は、各層の重なりが、縦型構造より少ないため、各層間の寄生容量が小さくなる結果、センシング速度（光応答速度）が縦型構造より速くなるというメリットも持っている。【０１４７】
本発明の光電変換素子において、光が上記光電変換素子に入射する側とは反対側の最外層には、上記反対側の全体を覆う金属層が設けられていることを特徴とする。【０１４８】
これにより、上記金属層は、光電変換層などを通り抜けた光を、再び、光電変換層に戻すように反射するので、光電変換率を向上させることができる。また、上記金属層は、電流を取り出す電極の１つとしての役割を果たすこともできる。【０１４９】
なお、フォトニック結晶を光電変換層の全体にわたって形成することは本発明にとって必須ではなく、フォトニック結晶が光電変換層の一部領域に形成されていれば、従来より光電変換率を向上させる効果が得られる。この場合、上記金属層を、フォトニック結晶が形成された上記一部領域に対応した下方領域の全体に設けることが好ましい。【０１５０】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１５１】
本発明は、光電変換素子全般に利用することができ、特に、太陽電池または光センサなどの光電変換素子に好適である。
【符号の説明】
【０１５２】
１，１０，１１，６０    光電変換素子
２，２ａ    光電変換層
３，７２    透明導電層（２つの層の一方）
４，７４    透明導電層（２つの層の他方）
６，４８    金属電極層（金属層）
２０    真性半導体層
２０ａ  真性半導体層
２０ｂ  真性半導体層
２１    ｐ型半導体層
２１ａ  ｐ型半導体層
２２    ｎ型半導体層
２２ａ  ｎ型半導体層
２２ｂ  ｎ型半導体層
３０，３０ａ，３０ｂ，７６，７６ａ〜７６ｄ    ナノロッド（柱状の媒質）
３１，３１ａ，３１ｂ，７７    欠陥
４０    パッシベーション膜（２つの層の一方）
４１，４７    絶縁層（２つの層の他方）
４２    反射膜（金属層）
７８    欠陥領域
ｃ    欠陥準位
ｇ    フォトニックバンドギャップ
ｐ    ピッチ
ｘ    方向（特定方向）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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